① 夫兰克赫兹实验
夫兰克-赫兹实验被认为是对原子的玻尔模型的实验证明,但有趣的是直到夫兰克和赫兹发表了他们的实验结果之后,他们才知道玻尔模型。这看起来是非常有趣的,夫兰克后来解释道:
We had not read it because we were negligent to read the literature well enough -- and you know how that happens. On the other hand, one would think that other people would have told us about it. For instance, we had a colloquium at that time in Berlin at which all the important papers were discussed. Nobody discussed Bohr's theory. Why not? The reasons is that fifty years ago, one was so convinced that nobody would, with the state of knowledge we had at that time, understand spectral line emission, so that if somebody published a paper about it, one assumed, Probably it is not right. So we did not know it.
当时的人们根本就不相信看上去复杂无比的原子光谱可能会被某个理论解释,如果有人声称解释了原子的发射谱线,当时的物理学家会本能地认为这个理论是错误的。
夫兰克-赫兹实验的装置如下图所示:
水银(汞,Hg)蒸汽被放在真空管内,电子从阴极射出后,被电势V加速,然后到达阳极,阳极是栅栏状的,阳极后面还有一个微弱的反向电压,反向电压比加速电压(V)弱的多,再后面是个集电极。(类似真空三极管,发射极,基极和集电极)
测量的是加速电压(V)和通过集电极电流(I)之间的关系,实验结果如下图:
可见这里存在一个约4.9伏的周期,每4.9伏周期,集电极电流会周期性的变大,达到峰值,然后陡峭地变小。
这4.9伏的周期性可被玻尔模型所解释。根据玻尔模型,原子中存在一系列的定态(stationary states),当原子由一个定态跃迁到另一定态时,可相应地吸收或放出一个光子,并满足频率关系(frequency relation):。4.9伏的周期性说明在汞原子的第一激发态与基态间能量差是4.9eV。
当加速电压处于0-4.9伏区间时,电子将获得0-4.9eV的动能,电子可能与汞原子发生弹性碰撞或非弹性碰撞,如发生非弹性碰撞电子将损失部分能量,而汞原子将获得部分能量。但根据玻尔模型,小于4.9eV的能量是不足以使汞原子发生跃迁的,因此只能发生弹性散射,电子在弹性散射的过程中并不损失能量,因此当电子达到阳极时具有大于0的动能,可以可以克服反向电压达到集电极,因此表现为有电流,并且随着加速电压的增大,电流也相应增大。
当加速电压正好为4.9伏时,电子具有4.9eV的动能,可与汞原子发生非弹性散射,汞原子被激发到激发态,电子损失4.9eV后动能为0,无法克服反向电压,因此表现为电流急剧下跌。
当加速电压达到两倍4.9伏时,则有可能发生两次电子与汞原子的非弹性散射,因此将出现第二个峰。如果继续增大加速电压,还可能出现更多的峰。如果电子能量大到足以把汞原子激发到更高激发态的能量,则可以出现不是4.9伏周期的峰。
观察夫兰克-赫兹实验的实验曲线,另一特征是电流波谷取值是逐渐变大的,这可以解释为总有部分电子未发生与汞原子的非弹性散射就到达了阳极,从而肯定会到达集电极。发生N+1次非弹性散射的几率要小于只发生N次非弹性散射的几率,因此随着加速电压的增大会有更多的电子以非零动能到达阳极,体现为电流波谷取值越来越高。
还可以考虑更多因素,比如无规则热运动对夫兰克-赫兹实验曲线的影响,将使曲线更加圆滑等等。但这些已经属于实验中不太重要的细节了。
1925年夫兰克和赫兹因夫兰克-赫兹实验共同获得诺贝尔物理学奖。
参考
1. The Franck-Hertz experiment supports Bohr's model
2. Hyperphysics: The Franck-Hertz Experiment
3. The Nobel Prize in Physics 1925